[发明专利]基于物理层激励-响应机制的物理层安全认证算法

权利要求书

1.基于物理层激励-响应机制的物理层安全认证算法，其特征在于，首先引入单向哈希函数实现共享密钥的随机化，利用基于无线衰落信道特性的认证流程来保护认证信息不被窃取；其次采用含有先验信息的对数似然比(Log Likelihood Ratio,LLR)检测算法来提高认证信息的准确度；最后进行认证相关信息的互相关运算，根据互相关系数大小来判别待认证用户的合法性。

2.根据权利要求1所述的基于物理层激励-响应机制的物理层安全认证算法，其特征在于，具体包括如下：(1)用户鉴别假设校验(2)基于LLR的检测算法；(3)共享密钥随机化。

3.根据权利要求2所述的基于物理层激励-响应机制的物理层安全认证算法，其特征在于，所述用户鉴别假设校验具体为：假设Alice和Bob为系统合法用户，Eve为系统非法用户；在物理层安全认证流程中，认证用户Alice接收到响应信号为为了进行用户身份识别，需要提取出共享密钥K_B，但由于哈希函数的单向性特点，认证用户Alice是无法得到共享密钥的，所以采用与被认证方Bob相同的方式生成映射序列T_A＝hash(D,K_A)，因此认证信息转换为单向哈希函数的映射序列，通过比较接收的认证信息T_B＝hash(D,K_B)与T_A＝hash(D,K_A)的近似程度来判断用户身份是否合法；首先，需要对接收到的响应信号乘以得到信号为然后利用基于probabilistic data assistant(PDA)的软判决迭代均衡算法，提取认证信息hash(D,K_B)，最后与T_A＝hash(D,K_A)进行比较；T_A与T_B的匹配程度采用自相关函数值作为用户身份的统计判决参数R，取值范围在-1～1之间，表达式如下：

在式中，Q表示对两个二进制序列T_A与T_B模二加运算，所得结果序列为0的数目；P表示所得结果序列为1的数目；R用来衡量认证用户与被认证用户之间的匹配程度，R值越大，表明被认证用户为合法用户的可能性越大；反之，则表明被认证用户为非法用户的可能性越大；

上述的物理层单向认证可以通过二元假设检验的方式实现，设定检测阈值为Γ，根据统计参量R判断用户是否合法；假设检验如下：

H₀:R＜Γ

H₁:R＞Γ (2)

其中Γ是一个预定义的阈值，用于考虑用户检测概率和虚警概率之间的均衡；

零择假设H₀表示统计参量R小于判决门限，被认证用户的认证信息T_A与认证用户的认证信息T_B不一致，即被认证用户为非合法用户Eve，或者合法用户在认证过程中受到无线信道的干扰，导致认证失败；备择假设H₁表示统计参量R大于判决门限，被认证用户的认证信息T_B与认证用户的认证信息T_A一致，即被认证用户为合法用户Bob；

所述基于LLR的检测算法具体为：采用PDA算法进行认证信息的提取，来提高合法用户的检测概率和降低非法用户的虚警概率；假设在时变信道环境中，在接收端接收信号为

Y＝HX+W (3)

其中,W＝[w(0) w(1) … w(N-1)]^T表示加性高斯白噪声矢量，w(n)服从(0,σ²)的高斯分布X＝[x(0) x(1) … x(N-1)]^T是发送信号矢量，H是N×N时域信道卷积矩阵，且[H]_n,m＝h(n,m)表示在是时刻n的第m阶冲击响应；Y＝[y(0) y(1) … y(N-1)]^T是接收信号矢量，y(n)表示接收到的第n个时刻的符号信息，可以表示为

其中，h(n)表示信道卷积信道矩阵H的第n列，则式(4)可以改写为

假设发送端发送的信号x(n)是高斯随机变量，经过线性信道之后，h(n)x(n)依旧保持为高斯随机变量；则h(n)x(n)的后验密度函数可以表示为

式中：g_n和R_n分别表示h(n)x(n)的均值和协方差，则

式(7)和式(8)中，R_w是噪声方差，E(x(n)|Y)与var(x(n)|Y)分别表示第n符号的均值和方差，可以通过式(9)和式(10)进行求解；

在式(9)和(10)中，通过定义调制指数Q，则与第i个发送符号αi对应的发送比特信息S_i可定义为且s_i,j∈(0,1)，N＝log₂^Q

最后，对数似然比可根据(6)按(11)计算。

上述的算法通过不断的迭代更新均值g_n和方差R_n，直到公式(11)中的后造成O(N³)的运算量，所以利用矩阵求逆引理，避免求逆过程。式(7)和(8) 中的h(n)x(n)均值和协方差转化为

g_n＝g+E(x(n)|Y)h(n) (13)

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